• 全国中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊
  • 美国工程索引(EI)收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于砾石群布置的河道生物栖息地自然化改造

南军虎 张书峰 袁福民 杨霄 王超 邱志敏

南军虎, 张书峰, 袁福民, 杨霄, 王超, 邱志敏. 基于砾石群布置的河道生物栖息地自然化改造[J]. 水科学进展, 2021, 32(4): 608-617. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.012
引用本文: 南军虎, 张书峰, 袁福民, 杨霄, 王超, 邱志敏. 基于砾石群布置的河道生物栖息地自然化改造[J]. 水科学进展, 2021, 32(4): 608-617. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.012
NAN Junhu, ZHANG Shufeng, YUAN Fumin, YANG Xiao, WANG Chao, QIU Zhimin. Naturalization of biological habitat in river based on arrangement of gravel groups[J]. Advances in Water Science, 2021, 32(4): 608-617. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.012
Citation: NAN Junhu, ZHANG Shufeng, YUAN Fumin, YANG Xiao, WANG Chao, QIU Zhimin. Naturalization of biological habitat in river based on arrangement of gravel groups[J]. Advances in Water Science, 2021, 32(4): 608-617. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.012

基于砾石群布置的河道生物栖息地自然化改造

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.012
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(52069011);兰州理工大学红柳优秀青年人才支持计划资助项目(HLYQ-9)
详细信息
    作者简介:

    南军虎(1985-), 男, 甘肃白银人, 副教授, 博士, 主要从事水工水力学和生态水力学的研究。E-mail: nanjh08@126.com

  • 中图分类号: TV131.6

Naturalization of biological habitat in river based on arrangement of gravel groups

Funds: The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (No.52069011)
  • 摘要: 为探讨砾石群对河道生物栖息地自然化改造效果,以江西金沙溪河段为例,采用文献调研和数值模拟的方法,选择鲢鱼为目标物种,耦合河段的平面二维水动力及栖息地模拟,研究了砾石群布置对裁弯河道生物栖息地的影响特性及自然化改造效果。结果表明:裁弯河道鲢鱼栖息地加权可用面积(AWU)明显减少,弗劳德数在其主流线附近增大,剪切速度值由原河道的横向梯度分布转变为均匀分布;砾石群对裁弯河道生物栖息地的自然化改造效果显著,其中河道凹岸高密度布置方式使鲢鱼栖息地可用面积百分率(APU)由裁弯河道的9.20%增长至15.06%,砾石群下游附近水流的弗劳德数由裁弯河道的0.13~0.68骤降至0~0.15,砾石群下游区域形成低速水流区,为鲢鱼在大流量河道中提供了良好的庇护场所。
  • 图  1  裁弯前后河道

    Figure  1.  River channel before and after cutting

    图  2  鲢鱼流速适宜性曲线

    Figure  2.  Veiocity suitability index curve for silver carp

    图  3  鲢鱼水深适宜性曲线

    Figure  3.  Water depth suitability index curve for silver carp

    图  4  裁弯前后河道Fr

    Figure  4.  Fr of river before and after cutting

    图  5  裁弯前后河道剪切速度值

    Figure  5.  River shear velocity magnitude before and after cutting

    图  6  砾石群布置图及生态格网

    Figure  6.  Gravel group layout and ecological grid

    图  7  凹岸方式3鲢鱼栖息地模拟结果

    Figure  7.  Simulation results of silver carp habitat in concave bank mode 3

    表  1  实测及模拟特征桩号水面高程对比

    Table  1.   Comparison of water surface elevation of measured and simulated characteristic stations

    桩号 实测值/m 模拟值/m 误差/m
    1+250 95.05 94.91 -0.14
    1+610 94.96 94.88 -0.08
    1+909 94.88 94.86 -0.02
    2+158 94.81 94.83 0.02
    2+522 94.65 94.53 -0.12
    3+111 94.36 94.16 -0.20
    3+347 94.24 94.15 -0.09
    3+502 94.17 94.14 -0.03
    下载: 导出CSV

    表  2  裁弯前后栖息地模拟结果

    Table  2.   Habitat simulation results before and after cutting

    布置区域 AT/m2 AWU/m2 APU/%
    原河道 532 883 95 885 17.99
    裁弯河道 485 449 44 673 9.20
    下载: 导出CSV

    表  3  砾石群布置方式

    Table  3.   Layout of the gravel group

    布置方式 河道凹岸 河道中间 河道凸岸
    方式1 方式2 方式3 方式4 方式5 方式6 方式7 方式8 方式9
    砾石群组合 (g) (d、j) (a、g、m) (h) (e、k) (b、h、n) (i) (f、l) (c、i、o)
    断面类别 Ⅱ、Ⅳ Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ Ⅱ、Ⅳ Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ Ⅱ、Ⅳ Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ
    密度类别
    下载: 导出CSV

    表  4  9种砾石布置方式栖息地模拟结果

    Table  4.   Habitat simulation results of nine gravel arrangements

    布置区域 方式类别 AT/m2 AWU/m2 APU/% 增长率/%
    河道凹岸 1 485 449 55 473 11.43 24.18
    2 485 449 63 994 13.18 43.25
    3 485 449 73 116 15.06 63.67
    河道中间 4 485 449 42 779 8.81 -4.24
    5 485 449 54 227 11.17 21.39
    6 485 449 51 258 10.56 14.74
    河道凸岸 7 485 449 57 832 11.91 29.45
    8 485 449 57 434 11.83 28.57
    9 485 449 65 514 13.50 46.65
    下载: 导出CSV

    表  5  各类栖息地面积分布情况

    Table  5.   Distribution condition of different habitat types m2

    栖息地类型 原河道 裁弯后河道
    无布置 河道凹岸 河道中间 河道凸岸
    方式1 方式2 方式3 方式4 方式5 方式6 方式7 方式8 方式9
    深潭 88 440 43 243 53 821 62 700 71 869 41 014 52 756 49 589 56 550 56 613 64 586
    急流 7 403 1 418 1 643 1 289 1 240 1 749 1 462 1 657 1 270 814 920
    浅滩 43 12 9 5 6 16 9 12 11 7 8
    下载: 导出CSV
  • [1] 国家统计局. 中华人民共和国2019年国民经济和社会发展统计公报[EB/OL]. (2020-02-28)[2020-09-02]. http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/202002/t20200228_1728913.html.

    National Bureau of Statistics. The 2019 Statistical Bulletin of the People's Republic of China on National Economic and Social Development[EB/OL]. (2020-02-28)[2020-09-02]. http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/202002/t20200228_1728913.html. (in Chinese)
    [2] 戎贵文, 沈齐婷, 戴会超, 等. 基于海绵城市理念的屋面雨水源头调控技术探讨[J]. 水利学报, 2017, 48(8): 1002-1008. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB201708014.htm

    RONG G W, SHEN Q T, DAI H C, et al. Roof rainwater source controlling technology based on design of sponge city[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2017, 48(8): 1002-1008. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB201708014.htm
    [3] 张建云, 宋晓猛, 王国庆, 等. 变化环境下城市水文学的发展与挑战: I: 城市水文效应[J]. 水科学进展, 2014, 25(4): 594-605. http://skxjz.nhri.cn/article/id/2443

    ZHANG J Y, SONG X M, WANG G Q, et al. Development and challenges of urban hydrology in a changing environment: I: hydrological response to urbanization[J]. Advances in Water Science, 2014, 25(4): 594-605. (in Chinese) http://skxjz.nhri.cn/article/id/2443
    [4] 徐宗学, 程涛. 城市水管理与海绵城市建设之理论基础: 城市水文学研究进展[J]. 水利学报, 2019, 50(1): 53-61. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB201901007.htm

    XU Z X, CHENG T. Basic theory for urban water management and sponge city: review on urban hydrology[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2019, 50(1): 53-61. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB201901007.htm
    [5] 陆琴, 郭庆超, 邓安军. 游荡型河流疏浚整治效果计算研究[J]. 泥沙研究, 2019, 44(6): 53-58. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NSYJ201906009.htm

    LU Q, GUO Q C, DENG A J. Numerical study on dredging effect in a wandering river[J]. Journal of Sediment Research, 2019, 44(6): 53-58. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NSYJ201906009.htm
    [6] 毛志刚, 谷孝鸿, 陆小明, 等. 太湖东部不同类型湖区底泥疏浚的生态效应[J]. 湖泊科学, 2014, 26(3): 385-392. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FLKX201403008.htm

    MAO Z G, GU X H, LU X M, et al. Ecological effects of dredging on aquatic ecosystem in the different regions of eastern Lake Taihu[J]. Journal of Lake Sciences, 2014, 26(3): 385-392. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FLKX201403008.htm
    [7] NAKAGAWA T R M, NAKAGAWA A. Floating island as ecological flood alleviation[J]. International Journal of Sustainable Development & World Ecology, 2020, 27(6): 548-558.
    [8] 陈天伟. 宁夏苦水河沟湾段裁弯治理及效果分析[J]. 人民黄河, 2019, 41(3): 65-68. doi:  10.3969/j.issn.1000-1379.2019.03.013

    CHEN T W. Analysis of the cut-off management of Gouwan section of Kushui River in Ningxia and its effect[J]. Yellow River, 2019, 41(3): 65-68. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1000-1379.2019.03.013
    [9] 李肖男, 张红武, 钟德钰, 等. 黄河内蒙古河段洪水演进与冲淤模拟研究[J]. 水利学报, 2017, 48(10): 1206-1219. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB201710009.htm

    LI X N, ZHANG H W, ZHONG D Y, et al. Numerical simulation research on the flood propagation and riverbed deformation in the Inner Mongolia reach of the Yellow River[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2017, 48(10): 1206-1219. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB201710009.htm
    [10] 孙羽, 张兵, 孙东坡, 等. 河道整治中的生态环境问题与生态协调的河道整治[J]. 水利水电技术, 2017, 48(5): 102-109. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJWJ201705017.htm

    SUN Y, ZHANG B, SUN D P, et al. Ecology environment in river harness and the river harness based on ecology coordinate[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2017, 48(5): 102-109. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJWJ201705017.htm
    [11] HAN B S, ENDRENY T A. Detailed river stage mapping and head gradient analysis during meander cutoff in a laboratory river[J]. Water Resources Research, 2014, 50(2): 1689-1703. doi:  10.1002/2013WR013580
    [12] SEIFERT A. Naturnaeherer wasserbau[J]. Deutsche Wasserwirtschaft, 1983, 33(12): 361-366.
    [13] 徐云乾. 美国河流近自然化综合治理措施初探及其借鉴[J]. 中国农村水利水电, 2017(7): 94-98. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZNSD201707021.htm

    XU Y Q. Preliminary study on near natural comprehensive control measures of American rivers and its reference[J]. China Rural Water and Hydropower, 2017(7): 94-98. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZNSD201707021.htm
    [14] KOZAREK J L, HESSION W C, DOLLOFF C A, et al. Hydraulic complexity metrics for evaluating in-stream brook trout habitat[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2010, 136(12): 1067-1076. doi:  10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000197
    [15] PARK K, LEE K, KIM Y O. Use of instream structure technique for aquatic habitat formation in ecological stream restoration[J]. Sustainability, 2018, 10(11): 4032. doi:  10.3390/su10114032
    [16] OH K, LEE J, RUBIO C J, et al. Assessment of aquatic habitat effect by artificial change of streambed topography[J]. Water Science and Technology, 2010, 62(12): 2872-2879. doi:  10.2166/wst.2010.226
    [17] LEE J H, KIL J T, JEONG S. Evaluation of physical fish habitat quality enhancement designs in urban streams using a 2-D hydrodynamic model[J]. Ecological Engineering, 2010, 36(10): 1251-1259. doi:  10.1016/j.ecoleng.2010.05.004
    [18] STEFFLER P, BLACKBURN J. River2-D two dimensional depth averaged model of river hydrodynamics and fish habitat: introduction to depth averaged modeling and user's manual[R]. Edmonton: University of Alberta, 2002.
    [19] 张新华, 邓晴, 文萌, 等. 弯曲分汊浅滩潜坝对洄游鱼类栖息地的影响研究[J]. 工程科学与技术, 2020, 52(1): 18-28. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SCLH202001003.htm

    ZHANG X H, DENG Q, WEN M, et al. Impact of submerged spur dike on migrating fish habitat in bending branched shoal[J]. Advanced Engineering Sciences, 2020, 52(1): 18-28. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SCLH202001003.htm
    [20] 王晓刚, 严忠民. 河道汇流口水力特性对鱼类栖息地的影响[J]. 天津大学学报, 2008, 41(2): 204-208. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDX200802017.htm

    WANG X G, YAN Z M. Effect of hydraulic characteristics of confluent channel on physical habitat for fish communities[J]. Journal of Tianjin University, 2008, 41(2): 204-208. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDX200802017.htm
    [21] CENTER H E. HEC-RAS user's manual version3.1[R]. Davis, CA: US Army Corp of Engineering, 2002.
    [22] 陈玲玲, 高月香, 张毅敏, 等. 鲢鱅鲴混养对水环境及氮素迁移转化的影响[J]. 中国环境科学, 2019, 39(3): 1181-1188. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGHJ201903040.htm

    CHEN L L, GAO Y X, ZHANG Y M, et al. Effects of Plagiogathops micrloepis Bleeker, Hypophthalmichthys molitrix and Aristichthys nobilis polyculture on water environment and nitrogen migration and transformation[J]. China Environmental Science, 2019, 39(3): 1181-1188. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGHJ201903040.htm
    [23] 吴利, 李源玲, 陈延松. 淮河干流浮游动物群落结构特征[J]. 湖泊科学, 2015, 27(5): 932-940. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FLKX201505021.htm

    WU L, LI Y L, CHEN Y S. Characteristics of community structures of zooplankton in the mainstream of Huaihe River[J]. Journal of Lake Sciences, 2015, 27(5): 932-940. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FLKX201505021.htm
    [24] 许志, 陈小华, 沈根祥, 等. 上海河道浮游植物群落结构时空变化特征及影响因素分析[J]. 环境科学, 2020, 41(8): 3621-3628. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HJKZ202008021.htm

    XU Z, CHEN X H, SHEN G X, et al. Spatial and temporal variation of phytoplankton community structure and its influencing factors in Shanghai river channels[J]. Environmental Science, 2020, 41(8): 3621-3628. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HJKZ202008021.htm
    [25] 党莉, 马超, 练继建. 水库调节对下游鱼类栖息地适宜性的影响[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版), 2018, 51(6): 566-574. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDX201806002.htm

    DANG L, MA C, LIAN J J. Effects of reservoir regulation on downstream fish habitat suitability[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology), 2018, 51(6): 566-574. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDX201806002.htm
    [26] 李鸿源, 施上粟, 游蕙绫. 利用数值模式分析鱼类栖地多样性研究[C]//第二届黄河国际论坛论文集. 郑州: 黄河水利出版社, 2005: 225-342.

    LI H Y, SHI S S, YOU H L. Analysis of fish habitat diversity using numerical model[C]//Proceedings of the 2nd Yellow River International Forum. Zhengzhou: The Yellow River Water Conservancy Press, 2005: 225-342. (in Chinese)
    [27] 孙嘉宁. 白鹤滩水库回水支流黑水河的鱼类生境模拟研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2013.

    SUN J N. Fish habitat simulation of the Heishui River, the backwater tributary of Baihetan Reservoir[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013. (in Chinese)
  • [1] 罗铭, 黄尔, 王协康, 杨奉广.  山区卵砾石河道水流阻力计算 . 水科学进展, 2020, 31(3): 404-412. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.010
    [2] 班璇, 高欣, Panayiotis DIPLAS, 肖飞, 石小涛.  中华鲟产卵栖息地的三维水力因子适宜性分析 . 水科学进展, 2018, 29(1): 80-88. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.010
    [3] 舒安平, 高静, 李芳华.  黄河上游沙漠宽谷河段塌岸引起河道横向变化特征 . 水科学进展, 2014, 25(1): 77-82.
    [4] 李志威, 王兆印, 赵娜, 余国安.  弯曲河流斜槽裁弯模式与发育过程 . 水科学进展, 2013, 24(2): 161-168.
    [5] 钟亮, 许光祥.  床面粗糙形态的二元分形插值模拟 . 水科学进展, 2011, 22(5): 662-667.
    [6] 周银军, 陈立, 欧阳娟, 刘金.  三峡蓄水后典型河段分形维数的变化分析 . 水科学进展, 2010, 21(3): 299-306.
    [7] 杨志峰, 于世伟, 陈贺, 佘敦先.  基于栖息地突变分析的春汛期生态需水阈值模型 . 水科学进展, 2010, 21(4): 567-574.
    [8] 段学花, 王兆印.  生物栖息地隔离对河流生态影响的试验研究 . 水科学进展, 2009, 20(1): 86-91.
    [9] 王伟, 杨晓华, 王银堂.  滦河下游河道生态需水量 . 水科学进展, 2009, 20(4): 560-565.
    [10] 张文鸽, 黄强, 蒋晓辉.  基于物理栖息地模拟的河道内生态流量研究 . 水科学进展, 2008, 19(2): 192-197.
    [11] 易雨君, 王兆印, 陆永军.  长江中华鲟栖息地适合度模型研究 . 水科学进展, 2007, 18(4): 538-543.
    [12] 钟华平, 刘恒, 耿雷华, 徐春晓.  河道内生态需水估算方法及其评述 . 水科学进展, 2006, 17(3): 430-434.
    [13] 江志军, 李德仁, 王伟, 李兰, 易华蓉.  基于GIS的河道贴体网格自动生成算法研究 . 水科学进展, 2004, 15(6): 793-800.
    [14] 毛劲乔.  河道复杂采砂坑附近流场的数值模拟 . 水科学进展, 2004, 15(1): 6-11.
    [15] 丛振涛, 周海鹰, 雷志栋, 吴六一, 吾买尔江.  塔里木河下游输水过程的分析与模拟 . 水科学进展, 2003, 14(3): 276-279.
    [16] 杨国录, 吴虹娟, 余明辉, 李纪泽, 王昌慈.  河道开挖效果预测方法初步研究 . 水科学进展, 2002, 13(3): 345-350.
    [17] 韩龙喜.  河道一维污染源控制反问题 . 水科学进展, 2001, 12(1): 39-44.
    [18] 槐文信, 柴田敏彦.  浅水型河道中扩散器垂向排放的三维数值模拟 . 水科学进展, 1999, 10(1): 1-6.
    [19] 李致家.  具有行蓄洪区的河道流量演算方法探讨 . 水科学进展, 1997, 8(1): 65-70.
    [20] 李纪人, 章四龙.  河道洪水预报的可靠性研究 . 水科学进展, 1995, 6(4): 325-330.
  • 加载中
图(7) / 表 (5)
计量
  • 文章访问数:  70
  • HTML全文浏览量:  19
  • PDF下载量:  15
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-09
  • 网络出版日期:  2021-05-14
  • 刊出日期:  2021-07-30

基于砾石群布置的河道生物栖息地自然化改造

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.012
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(52069011);兰州理工大学红柳优秀青年人才支持计划资助项目(HLYQ-9)
    作者简介:

    南军虎(1985-), 男, 甘肃白银人, 副教授, 博士, 主要从事水工水力学和生态水力学的研究。E-mail: nanjh08@126.com

  • 中图分类号: TV131.6

摘要: 为探讨砾石群对河道生物栖息地自然化改造效果,以江西金沙溪河段为例,采用文献调研和数值模拟的方法,选择鲢鱼为目标物种,耦合河段的平面二维水动力及栖息地模拟,研究了砾石群布置对裁弯河道生物栖息地的影响特性及自然化改造效果。结果表明:裁弯河道鲢鱼栖息地加权可用面积(AWU)明显减少,弗劳德数在其主流线附近增大,剪切速度值由原河道的横向梯度分布转变为均匀分布;砾石群对裁弯河道生物栖息地的自然化改造效果显著,其中河道凹岸高密度布置方式使鲢鱼栖息地可用面积百分率(APU)由裁弯河道的9.20%增长至15.06%,砾石群下游附近水流的弗劳德数由裁弯河道的0.13~0.68骤降至0~0.15,砾石群下游区域形成低速水流区,为鲢鱼在大流量河道中提供了良好的庇护场所。

English Abstract

南军虎, 张书峰, 袁福民, 杨霄, 王超, 邱志敏. 基于砾石群布置的河道生物栖息地自然化改造[J]. 水科学进展, 2021, 32(4): 608-617. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.012
引用本文: 南军虎, 张书峰, 袁福民, 杨霄, 王超, 邱志敏. 基于砾石群布置的河道生物栖息地自然化改造[J]. 水科学进展, 2021, 32(4): 608-617. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.012
NAN Junhu, ZHANG Shufeng, YUAN Fumin, YANG Xiao, WANG Chao, QIU Zhimin. Naturalization of biological habitat in river based on arrangement of gravel groups[J]. Advances in Water Science, 2021, 32(4): 608-617. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.012
Citation: NAN Junhu, ZHANG Shufeng, YUAN Fumin, YANG Xiao, WANG Chao, QIU Zhimin. Naturalization of biological habitat in river based on arrangement of gravel groups[J]. Advances in Water Science, 2021, 32(4): 608-617. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.012
  • 随着经济的快速发展和工农业生产水平的提高, 中国城市化进程发展迅猛, 城镇化率从2015年的56.1%陡然增长至2019年的60.6%[1]。在城市化的快速发展中, 硬化路面代替了可以调蓄洪水的自然地面和河湖湿地, 增加了洪峰流量及城市周边河流的行洪负荷, 同时水土流失使城市周边河流产生泥沙淤积, 造成行洪能力下降[2-3]。此外, 多数天然河道中河湾的自然发展会形成游荡型河流, 其本身有行洪不畅、河岸侵蚀严重的特点, 调蓄能力下降以致洪涝灾害频发[4-5], 因此, 对基于防洪目的的河道整治就显得尤为重要。国内外均有对于河道整治方面的研究, 如疏浚底泥[6]、生态浮岛[7]、裁弯取直[8]等。在基于防洪目的的河道整治中, 裁弯取直是一种常见的河道整治手段。通过裁弯取直工程, 可提高上游防洪能力, 缩短行洪时间, 降低行洪水位, 稳定流路与岸线以及提高河段输沙能力, 同时可以明显减少淹没面积和新增淤地[8], 较好地解决蜿蜒河段所带来的一些负面效果[9]。然而河道裁弯所带来的生态问题却难以忽视, 河道自然或人工裁弯后形成牛轭湖, 弯曲河岸消失导致河道内物质交换减弱, 深潭与浅滩的减少导致生态环境的单一化, 且河道的自净能力减弱;同时顺直湍急河流的河岸冲刷加剧, 水流流速激增, 使得河道内生物的适宜栖息地减少或者消失, 种群数量减少[10-11]。在黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略的大背景下, 对生物栖息地退化治理及栖息地自然化改造的研究显得尤为迫切。

    最早的河流近自然化治理源于西方发达国家。1983年Seifert[12]提出近自然化河流治理的概念, 主要通过河流地貌修复为渠化的河流以恢复并维持生物多样性[13]。常见的修复河道栖息地的方式主要是河道中添加巨木巨石, 设置脚踏石、丁坝和堰等设施改善河道栖息地。Kozarek等[14]、Park等[15]通过设置脚踏石的方式模拟了栖息地质量的变化, 认为汛期可为鱼类提供良好的庇护所;Oh等[16]通过人工改变河床地形模拟分析了最优的改善方案, 认为布置高度为0.5 m的拦水坝是改善栖息地最有效的措施;Lee等[17]模拟了河道中巨石对生物栖息地的影响, 结果表明, 不同型式的巨石布置有利于生境质量的改善, 并提出单块巨石相距3.5 m为最有效的设计。上述关于河道栖息地修复的研究中, 大多都着眼于评价天然河道上的栖息地改善措施, 鲜有从河道整治到河道栖息地修复完整过程的研究。

    基于此, 本研究以江西金沙溪的弯曲河段为例, 选取区域优势鱼种鲢鱼为目标鱼种, 分析裁弯取直对天然河道生物栖息地破坏的影响, 并通过布置砾石群的措施开展生物栖息地自然化改造研究。

    • 金沙溪位于江西省玉山县境内, 发源于浙赣边境怀玉山的玉京峰, 南流至上饶市信州区纳丰溪河后称信江。研究河段(图 1)位于十七都大桥至博士大道段, 长约2 km, 河段纵剖面整体较平缓, 平均宽度100 m左右, 河床综合糙率0.032~0.037, 河道平均坡降6.10‰, 上游流域面积1 014.5 km2, 研究河段无支流汇入, 地势平坦, 有商业、住宅、工业、交通等各类重要设施。

      图  1  裁弯前后河道

      Figure 1.  River channel before and after cutting

      金沙溪为雨洪式河流, 洪水与降雨过程关系密切, 具有历时短、汇流快等特点, 河床横断面呈“V”形且存在一个较大的弯折, 汛期行洪不畅, 从暴雨到洪水发生时间较短, 一次洪水历时多为1~2 d, 洪水发生时易形成灾害。通过裁弯取直的措施将弯折河段拓宽至200 m左右并疏通流路, 降低原河道河岸线曲率, 缓解汛期防洪压力。采用裁弯取直措施的弯曲河段起始桩号为1+909 m, 终止桩号为3+502 m, 分别连接凹岸及凸岸的起点及终点, 并形成一定的弧度(图 1)。

    • 采用River2D水动力模块进行模拟。该模型是基于二维圣维南浅水方程的平均深度有限元模型, 假定沿水深垂直方向符合静水压强, 沿深度方向流速恒定, 科氏力和风力忽略不计[18], 模型控制方程如下:

      (1) 质量守恒定律:

      $$ \frac{{\partial H}}{{\partial t}} + \frac{{\partial {q_x}}}{{\partial x}} + \frac{{\partial {q_y}}}{{{\partial _y}}} = 0 $$ (1)

      (2) x方向动量守恒:

      $$ \frac{{\partial {q_x}}}{{\partial t}} + \frac{\partial }{{{\partial _x}}}\left( {U{q_x}} \right) + \frac{\partial }{{{\partial _y}}}\left( {V{q_x}} \right) + \frac{g}{2}\frac{\partial }{{\partial x}}{H^2} = \left( {{S_{0x}} - {S_{{\rm{f}}x}}} \right) + \frac{1}{\rho }\left( {\frac{\partial }{{\partial x}}\left( {H{\tau _{xx}}} \right)} \right) + \frac{1}{\rho }\left( {\frac{\partial }{{\partial y}}\left( {H{\tau _{xy}}} \right)} \right) $$ (2)

      (3) y方向动量守恒:

      $$ \frac{{\partial {q_y}}}{{\partial t}} + \frac{\partial }{{{\partial _x}}}\left( {U{q_y}} \right) + \frac{\partial }{{{\partial _y}}}\left( {V{q_y}} \right) + \frac{g}{2}\frac{\partial }{{\partial y}}{H^2} = gH\left( {{S_{0y}} - {S_{{\rm{fy}}}}} \right) + \frac{1}{\rho }\left( {\frac{\partial }{{\partial x}}\left( {H{\tau _{yx}}} \right)} \right) + \frac{1}{\rho }\left( {\frac{\partial }{{\partial y}}\left( {H{\tau _{yy}}} \right)} \right) $$ (3)

      式中: H为流动深度;UV分别为xy方向上的流速;qxqy分别为xy方向上的流量;g为重力加速度;ρ为水的密度;S0xS0y分别为xy方向上的河床坡度;SfxSfy分别为xy方向上的摩擦力;τxxτxyτyxτyy分别为水平方向上的剪切应力张量。

      假设剪应力与平均流速水深的大小和方向有关, x方向上, 摩擦斜率的计算可用下式表示:

      $$ {S_{{\rm{f}}x}} = \frac{{{\tau _{{\rm{b}}x}}}}{{\rho gH}} = \frac{{\sqrt {{U^2} + {V^2}} }}{{gHC_{\rm{s}}^2}}U $$ (4)

      式中: τbxx方向上的河床剪切应力;Cs为谢才系数, 其与水深及粗糙度ks有关:

      $$ {C_{\rm{s}}} = 5.75\lg \left( {12\frac{H}{{{k_{\rm{s}}}}}} \right) $$ (5)

      对于给定的水深, 曼宁系数nks有以下关系:

      $$ {k_{\rm{s}}} = \frac{{12H}}{{{{\rm{e}}^m}}}\;\;\;\;\;m = \frac{{{H^{\frac{1}{6}}}}}{{2.5n\sqrt g }} $$ (6)

      当水深与粗糙度之比$ \frac{H}{{{k_{\rm{s}}}}} < \frac{{{{\rm{e}}^2}}}{{12}} $时, 谢才系数可用下式计算:

      $$ {C_{\rm{s}}} = 2.5 + \frac{{30}}{{{{\rm{e}}^2}}}\left( {\frac{H}{{{k_{\rm{s}}}}}} \right) $$ (7)
    • 河道内流量增量法(Instream Flow Incremental Methodology, IFIM)是进行生物栖息地研究常用的方法, 该方法根据栖息地加权可用面积(Weighted Usable Area, AWU)对生物栖息地质量进行评价, 其表征目标物种栖息地水力适宜面积[19-20], 可用下式表示:

      $$ {A_{{\rm{WU}}}} = \sum\limits_{i = 1}^n {f\left( {{V_i}, {D_i}, {C_i}} \right)} {A_i} $$ (8)

      式中: f(Vi, Di, Ci)为适宜性组合函数, Vi为流速指标, Di为水深指标, Ci为河道指标, 由于缺少目标物种对底质及覆盖物的适宜性资料, 将Ci适宜性值默认为1;Ai为各个单元网格的面积。

      APU(Percent Usable Area)表征目标物种可用栖息地与河道总面积的比值[20]。为便于分析, 将AWU转化为APU以说明河道栖息地的质量, 二者之间有如下关系:

      $$ {A_{{\rm{PU}}}} = \frac{{{A_{{\rm{WU}}}} \times 100\% }}{{{A_{\rm{T}}}}} $$ (9)

      式中: AT为河道总面积。

    • 模型网格采用Delauney三角剖分, 网格密度根据地形数据和模拟计算结果调整, 原河道网格密度为3~10 m, 裁弯后的河道较为规整, 网格密度为8~25 m。

    • 分别定义桩号1+250 m和3+502 m为上下游边界, 其中上游边界类型为流量进口, 下游边界类型为水位边界。由于汛期洪水过境对栖息地造成的影响较大, 研究旨在改善河道汛期的生境质量, 寻找可为目标物种提供适宜生存条件的砾石群布置类型, 故模拟中采用的流量为金沙溪20年一遇设计洪水流量1 418 m3/s, 与之对应的原河道进出口水位分别为工程测定水位95.05 m和94.17 m。

      裁弯河道下游出口断面水面高程采用HEC-RAS软件计算, 恒定流水面线基于伯努利方程, 采用步推法求解[21], 计算得出裁弯河道在20年一遇设计洪水上下游水位分别为94.41 m和91.94 m。

    • 确定目标物种为金沙溪优势鱼种鲢鱼。鲢鱼主要生活在水体的上层, 以浮游生物为食, 且在金沙溪浮游生物丰度夏季大于冬季[22-24]。根据流量、季节及摄食习性, 确定研究河段栖息地类型为索饵场, 影响鲢鱼栖息地质量的指标包括流速、水深、河床基质及溶解氧等。根据水力学模型的输出结果要素, 研究主线在于物理栖息地的变化, 故研究中只探讨流速、水深对鲢鱼栖息地质量的影响, 通过咨询渔业工作者及文献调研法得出鲢鱼流速和水深适宜性曲线[25-26], 分别如图 2图 3所示, 其最佳流速范围为0.3~0.5 m/s, 最佳水深范围为2~4 m。

      图  2  鲢鱼流速适宜性曲线

      Figure 2.  Veiocity suitability index curve for silver carp

      图  3  鲢鱼水深适宜性曲线

      Figure 3.  Water depth suitability index curve for silver carp

    • 为评估模型的可靠性, 以原河道为对象, 由资料获得实测水面线数据, 同时通过上游实测流量边界和下游水位边界, 模拟得出特征桩号水面高程, 并与实测水面线进行对比(表 1)。结果表明, 水面线实测值与模拟值的沿程分布趋势基本一致;除2+158 m断面外, 其余断面上水面线的模拟值均低于实测值, 但二者的相对误差小于0.20 m, 说明模拟结果是准确的, 模型是合理的。

      表 1  实测及模拟特征桩号水面高程对比

      Table 1.  Comparison of water surface elevation of measured and simulated characteristic stations

      桩号 实测值/m 模拟值/m 误差/m
      1+250 95.05 94.91 -0.14
      1+610 94.96 94.88 -0.08
      1+909 94.88 94.86 -0.02
      2+158 94.81 94.83 0.02
      2+522 94.65 94.53 -0.12
      3+111 94.36 94.16 -0.20
      3+347 94.24 94.15 -0.09
      3+502 94.17 94.14 -0.03
    • 对裁弯取直前后的河床进行网格划分, 输入边界条件计算出河道内流场的水深、流速等水力因素, 通过鲢鱼的适宜性曲线获得栖息地模拟结果, 如图 4图 5表 2所示。由结果可知, 原河道流速主要集中在2~4 m/s, 且河道内流速分布均匀, 裁弯河道的流速主要集中在2~5 m/s, 由于河床规整、上游入口断面附近流速增大导致水位降低, 而经过河湾后河宽增大, 水流流速减小且沿横向分布均匀。原河道水深主要集中在4~6 m, 深泓线与中泓线基本重合, 具有典型的天然河道特征;而裁弯河道水深主要集中在3~4 m, 在河湾下游水深均匀, 均在4 m左右。同时分析裁弯前后河道的弗劳德数(Fr), 原河道绝大部分区域流态为缓流且空间分布均匀, Fr主要集中在0.11~0.55;裁弯河道Fr主要集中在0.13~0.68, 在裁弯河道主流流向上有明显的Fr分级现象并且沿程减小。对比两河道剪切速度值可知, 原河道沿流向剪切速度值几乎保持不变, 而裁弯后的河道变化较为明显, 尤其在河湾处呈现1个突变的现象, 结合水面高程的分析, 在河湾处有微弱水跌现象的发生, 然后水流沿程趋于稳定。原河道鲢鱼栖息地AWU分布范围较裁弯河道更广, 裁弯后河道总面积减少47 434 m2, 鲢鱼栖息地AWU减少51 212 m2, 对应的APU减少8.79%, 且鲢鱼栖息地AWU主要分布在两岸较小的范围内。

      图  4  裁弯前后河道Fr

      Figure 4.  Fr of river before and after cutting

      图  5  裁弯前后河道剪切速度值

      Figure 5.  River shear velocity magnitude before and after cutting

      表 2  裁弯前后栖息地模拟结果

      Table 2.  Habitat simulation results before and after cutting

      布置区域 AT/m2 AWU/m2 APU/%
      原河道 532 883 95 885 17.99
      裁弯河道 485 449 44 673 9.20

      结合上述分析, 金沙溪裁弯后河道上游进口水位降低0.64 m, 下游出口水位降低2.23 m, 有效降低了汛期洪水位, 减小了汛期防洪负荷。但裁弯河道水流流速增大, 水深减小, 垂向流速差增大且水流流态呈现恶化的趋势, 鲢鱼栖息地环境遭到了破坏。模拟结果验证了裁弯取直河道形成的湍急水流不利于鲢鱼的生存, 在减小防洪负荷的同时对栖息地造成了较大的破坏。

    • 为提升裁弯后河道的生物栖息地质量, 拟采用布置砾石群的方式对栖息地进行自然化改造。单体砾石堆积体由不同尺寸的砾石集合堆叠而成, 形成高度为4~5 m、边长为20 m的单体等边三角形, 将生态格网束于表面, 填充物外层为不小于90 mm粒径的块石, 其余填充物为粒径较小的砾石, 以减小水流对生态格网内部的冲蚀。每一处布置3个单体砾石堆积体并呈三角形布局, 称为砾石群。靠近上游的砾石堆积体与其余2个相距3 m, 形成2个过水通道并达到扰流的目的, 靠近下游2个砾石堆积体相距15 m(图 6, L为裁弯河道的长度)。砾石群分别置于河道凹岸、中间及凸岸3个剖面, 各个剖面分别设置3种不同的砾石群密度, 砾石群个数由多到少分别对应高、中、低3个密度类别, 且砾石群的布置均在裁弯段的等分线处, 共计9种布置方式(表 3)。其中Ⅰ-Ⅰ、Ⅲ-Ⅲ和Ⅴ-Ⅴ断面位于裁弯段的四等分线处, Ⅱ-Ⅱ和Ⅳ-Ⅳ断面位于裁弯段的三等分线处, 此种布置方法有利于比较不同布置型式下的鲢鱼栖息地质量, 减少裁弯段上下游距离不均匀带来的误差影响。

      图  6  砾石群布置图及生态格网

      Figure 6.  Gravel group layout and ecological grid

      表 3  砾石群布置方式

      Table 3.  Layout of the gravel group

      布置方式 河道凹岸 河道中间 河道凸岸
      方式1 方式2 方式3 方式4 方式5 方式6 方式7 方式8 方式9
      砾石群组合 (g) (d、j) (a、g、m) (h) (e、k) (b、h、n) (i) (f、l) (c、i、o)
      断面类别 Ⅱ、Ⅳ Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ Ⅱ、Ⅳ Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ Ⅱ、Ⅳ Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ
      密度类别
    • 9种砾石布置对应的模拟结果如表 4所示, 从整体模拟结果来看, 绝大部分砾石群布置措施均对鲢鱼栖息地有不同程度的改善作用, 创造了适宜鲢鱼的生存空间, 其自然化改造效果比较显著。布置砾石群的河道内鲢鱼栖息地AWU主要分布在砾石群下游局部区域, 其中位于河道凹岸使用布置方式3对提升鲢鱼栖息地AWU的效果尤为明显, 相对于裁弯河道的鲢鱼栖息地APU增长至15.06%, 增长率达到了63.67%, 与原河道鲢鱼栖息地APU较为接近。

      表 4  9种砾石布置方式栖息地模拟结果

      Table 4.  Habitat simulation results of nine gravel arrangements

      布置区域 方式类别 AT/m2 AWU/m2 APU/% 增长率/%
      河道凹岸 1 485 449 55 473 11.43 24.18
      2 485 449 63 994 13.18 43.25
      3 485 449 73 116 15.06 63.67
      河道中间 4 485 449 42 779 8.81 -4.24
      5 485 449 54 227 11.17 21.39
      6 485 449 51 258 10.56 14.74
      河道凸岸 7 485 449 57 832 11.91 29.45
      8 485 449 57 434 11.83 28.57
      9 485 449 65 514 13.50 46.65

      凹岸方式3鲢鱼栖息地模拟结果如图 7所示。从图 7(a)可以看出, 布置砾石群后河道鲢鱼栖息地AWU明显增大。此外, 在砾石群下游区域出现适宜鲢鱼生存的栖息地, 通过砾石群附近区域微观图, 水流受砾石群水位扰动后, 流线出现了偏转现象, 在砾石群的下游局部有强度较小的旋涡且流速大幅减小。如图 7(b)所示, 砾石群下游低流速区Fr基本为0~0.15, 剪切速度为(0~0.03)/s。与未布置砾石的河道相比, 同区域的Fr减小, 裁弯取直河道中流速和水深变化的区间更大且层次更加分明。如图 7(c)所示, 剪切速度值的分布差异表明了布置砾石使垂向流速差减小, 丰富了砾石群周围鲢鱼栖息地类型。砾石群下游Fr以及剪切速度值与主流区存在一定的差异, 而裁弯河道同位置Fr以及剪切速度值整体上差异不大, 表明布置砾石群对河道流场有显著的改善。研究河段所处的区域地势平坦, 河道坡降较小, 所以裁弯砾石群河道水深变化不大。通过砾石群布置可以在一定程度上丰富水流流态以及扩大鲢鱼栖息地AWU的分布范围。

      图  7  凹岸方式3鲢鱼栖息地模拟结果

      Figure 7.  Simulation results of silver carp habitat in concave bank mode 3

    • 结合图 7表 4可知, 河道凹岸高密度布置方式的鲢鱼栖息地AWU为73 116 m2, 均大于凹岸其他2种砾石群布置密度;河道中间中密度布置方式的鲢鱼栖息地AWU为54 227 m2, 大于砾石群高密度及低密度的布置方式;河道凸岸高密度布置方式的AWU为65 514 m2, 中密度及低密度布置方式的AWU值相当, 均小于高密度布置方式AWU。可以认为, 砾石群的布置密度与鲢鱼栖息地AWU关系密切, 大体上呈正相关关系。

    • 根据砾石群布置位置及量化结果, 在低密度布置下, 河道凸岸鲢鱼栖息地AWU最大, 其对应的AWU为57 832 m2, 凹岸鲢鱼栖息地AWU与之相当; 在中密度布置下, 河道凹岸布置有较大的AWU值, 其值为63 994 m2, 明显优于其余2个位置; 在高密度布置下, 河道凹岸对鲢鱼栖息地AWU最大。因此, 鲢鱼栖息地自然化改造效果受砾石群布置位置的影响较大, 由于水流在进入裁弯段时流经1个弯道, 靠近凹岸水流流速较大, 而流速大的水流受砾石群的影响更明显, 形成面积较大的局部低流速区域, 故河道凹岸布置对鲢鱼栖息地的改善效果最佳。

    • 根据流态的不同, 鱼类栖息地可以分成不同的类型, 栖息地分类是河道生态评估的有效手段。国内外对栖息地的分类均有不同的认识总结, 主要通过水力坡度[27]或者弗劳德数判别栖息地类型, 按照Fr可将鲢鱼栖息地分为3种类型: 深潭(0 < Fr < 0.18)、急流(0.18≤Fr < 0.41)和浅滩(Fr≥0.41)。将各类鲢鱼栖息地分类汇总得出该类型栖息地在河道中的面积, 如表 5所示。鲢鱼深潭栖息地AWU在整个河道中的分布更加广泛, 在河道裁弯取直后, 各类鲢鱼栖息地AWU均得到了不同程度的减少, 而布置砾石群后绝大多数不同种类的鲢鱼栖息地AWU有了一定幅度的增长。其中, 位于河道凹岸布置方式3鲢鱼深潭栖息地AWU较裁弯河道无布置增加了28 626 m2, 对应的APU仅与原河道存在2.93%的差距, 其余2种鲢鱼栖息地AWU没有明显的变化。可以认为, 原河道在裁弯后鲢鱼深潭栖息地AWU大幅减少, 在布置砾石群之后, 河道不同类别鲢鱼栖息地AWU可以得到有效的增长, 可为河道生态治理的工程措施提供依据。

      表 5  各类栖息地面积分布情况

      Table 5.  Distribution condition of different habitat types m2

      栖息地类型 原河道 裁弯后河道
      无布置 河道凹岸 河道中间 河道凸岸
      方式1 方式2 方式3 方式4 方式5 方式6 方式7 方式8 方式9
      深潭 88 440 43 243 53 821 62 700 71 869 41 014 52 756 49 589 56 550 56 613 64 586
      急流 7 403 1 418 1 643 1 289 1 240 1 749 1 462 1 657 1 270 814 920
      浅滩 43 12 9 5 6 16 9 12 11 7 8
    • 采用文献调研和数值模拟的方法, 以金沙溪弯曲河道为例, 对比分析了河道裁弯取直前后及不同砾石群布置方式对鲢鱼栖息地的影响, 成果既揭示了裁弯取直的工程意义及影响, 也为已经裁弯取直河流生物栖息地的治理提供了方案, 可为同类生态水利工程的建设提供参考, 主要结论如下:

      (1) 河道的裁弯取直可以有效降低洪水位, 其中上游进口水位降低0.64 m, 下游出口水位降低2.23 m, 可减少汛期洪水对沿岸人民生命财产的威胁破坏。对鲢鱼栖息地造成了比较明显的破坏, 其可用栖息地与河道总面积的比值由17.99%锐减至9.20%, 裁弯河道鲢鱼栖息地加权可用面积减少且分布范围狭小。

      (2) 砾石群的布置使得裁弯河道鲢鱼栖息地加权可用面积明显增长。河道凹岸水流受砾石群的影响明显, 可形成面积较大的局部低流速区域, 布置方式3鲢鱼栖息地加权可用面积为73 116 m2, 对应可用栖息地与河道总面积的比值为15.06%, 更加接近原河道鲢鱼栖息地的整体质量, 是最优的一种布置方式。

      (3) 砾石群的布置密度与鲢鱼栖息地自然化改造程度呈正相关, 且随着布置密度的增大, 河道主流区Fr有增大的趋势。布置砾石群使剪切速度的垂向流速差减小, 丰富了砾石群周围鲢鱼栖息地类型。

      (4) 研究中只考虑流速与水深2个水力要素, 而影响鱼类生存的因素往往是丰富多样的, 另外, 在鱼类不同的生命阶段对于河道水力要素的需求不同。在以后的研究中, 应考虑将其他栖息地影响因子结合对栖息地进行更加科学的评价, 且应该考虑鱼类整个生命周期各个阶段的栖息地理化因素需求。

参考文献 (27)

目录

    /

    返回文章
    返回